一種足式步行機器人的分布式運動控制系統的製作方法
2023-05-21 21:41:26 1
一種足式步行機器人的分布式運動控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種足式步行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，包括：通信模塊、主控制器和多個子控制器；主控制器連接通信模塊，通信模塊分別與每個子控制器相連。本發明的一種足式步行機器人的分布式運動控制系統具有很好的實時性和可靠性，能夠在足式步行機器人中實現實時數據通信，進行有效路徑規劃和實時精確控制關節運動。
【專利說明】一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種足式歩行機器人運動控制系統，具體涉及ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，屬於足式歩行機器人領域。
【背景技術】
[0002]足式歩行機器人是ー種模仿自然界足式動物而建立的足式移動機構，具有結構簡単、穩定性高、運動靈活以及適應性強等優點，在救災搶險、軍事、探險等領域有著廣闊的應用前景。
[0003]足式歩行機器人的研究工作起步於上世紀六十年代。隨著計算機技術、微電子技術以及自動控制技術的發展，到了上世紀八十年代，越來越多的科研機構以及學者開始涉足足式歩行機器人的研究領域，研究熱點主要集中在足式歩行機器人的複雜地形環境適應行走方面。而複雜環境適應行走的實現離不開運動控制系統的設計。
[0004]目前，足式歩行機器人的運動控制系統主要是採用集中式控制系統。所謂集中式控制系統是指由一臺控制器獨自完成機器人所有控制任務的系統。集中式控制系統具有結構簡單，布置方便的優點，但也有著實時性不高和可靠性低的缺點。
【發明內容】
[0005]為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統。
[0006]為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案:
一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，包括:通信模塊、主控制器和多個子控制器；主控制器連接通信模塊，通信模塊分別與每個子控制器相連。
[0007]前述的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，主控制器與通信模塊之間通過並行ISA總線相連；通信模塊與每個子控制器之間通過串行SPI總線相連。
[0008]前述的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，主控制器連接有並行ISA總線模塊、乙太網接ロ模塊、RS232接ロ模塊和帶光電隔離的輸入輸出模塊；並行ISA總線模塊連接通信模塊的並行ISA總線接ロ ；乙太網接ロ模塊連接無線路由器；RS232接ロ模塊連接傾角傳感器；帶光電隔離的輸入輸出模塊連接油泵；通信模塊為FPGA通信模塊。
[0009]前述的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，主控制器為ARM9嵌入式處理器。
[0010]前述的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，子控制器連接有串行SPI總線模塊、ADC模塊、PWM模塊；串行SPI總線模塊連接差分驅動模塊，差分驅動模塊連接通信模塊的串行SPI總線接ロ ；ADC模塊連接模擬量採集模塊；PWM模塊連接伺服驅動模塊。
[0011]前述的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，子控制器為TMS320F28027型微控制器；模擬量採集模塊分別連接位移傳感器和力傳感器；伺服驅動模塊連接液壓缸。
[0012]前述的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，通信模塊包括並行ISA總線接ロ以及若干串行SPI總線接ロ，每個串行SPI總線接ロ各連接有雙端ロ RAM模塊，串行SPI總線接ロ與雙端ロ RAM模塊的一端相連，雙端ロ RAM模塊的另一端與並行ISA總線接ロ相連。
[0013]本發明的有益之處在於:本發明的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統具有很好的實時性和可靠性，能夠在足式歩行機器人中實現實時數據通信，進行有效路徑規劃和實時精確控制關節運動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統的ー個優選結構示意圖；
圖2是本發明基於圖1的另ー個優選結構示意圖；
圖3是本發明中主控制器的一個優選結構連接示意圖；
圖4是本發明中子控制器的一個優選結構連接示意圖；
圖5是本發明中通信模塊的一個優選結構連接示意圖；
圖6是本發明中通信模塊的一個優選內部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
[0016]參照圖1所示，一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，包括:通信模塊、主控制器和多個子控制器；主控制器連接通信模塊，通信模塊分別與每個子控制器相連。本發明採用了多個獨立的子控制器，每個子控制器都可以用來控制ー個子系統，子控制器和主控制器之間通過通信模塊進行數據交換。本發明的足式歩行機器人具有多條腿，每個子控制器用於實現一條腿的運動參數採集和各自由度運動的速度、位置控制，而主控制器用於完成機器人整體姿態分析、運動規劃與診斷。由於本發明的運動控制系統是由多個相對獨立的子系統構成，因此本發明屬於分布式運動控制系統。相對於集中式控制系統來說，本發明具有實時性和可靠性高的優點。
[0017]作為本發明進ー步的改進，如圖2所示，主控制器與通信模塊之間通過並行ISA總線相連；通信模塊與每個子控制器之間通過串行SPI總線相連。在本發明中，並行ISA總線相對於其他總線來說具有更好的實時性和更好的可靠性。比如，對於CAN總線來說，雖然其速率可達1Mbps，具有一定的實時性，但當CAN總線上的節點較多時，其實時性就很難保證。而本發明中分布式運動控制系統應用在足式歩行機器人，足式歩行機器人往往具有較多的腿，每一條腿都對應著子控制器，因此連接主控制器的節點往往很多，如果要求實現對足式歩行機器人身體中包括腿的每個部件都具備較好的實時性和可靠性，那麼採用並行ISA總線作為主控制器與通信模塊之間的通信總線是為優選選擇。此外，對於與每ー個子控制器相連的總線，基於成本考慮，本發明中可以採用串行總線，為了最好地提高串行總線的通信速度，本發明優選採用串行SPI總線。串行SPI總線是ー種高速通信能力的總線，非常適合應用在本發明通信模塊與每個子控制器之間的通信。由於現有技術中並沒有將並行ISA總線或串行SPI總線應用到足式歩行機器人的分布式運動控制系統的先例，也沒有給出任何直接唯一的技術啟示，因此本發明採用並行ISA總線串行SPI總線是ー種非常大的技術改迸。
[0018]作為本發明更進一歩的改進，圖3是本發明中主控制器的一個優選結構連接示意圖。如圖3所示，主控制器連接有並行ISA總線模塊、乙太網接ロ模塊、RS232接ロ模塊和帶光電隔離的輸入輸出模塊；並行ISA總線模塊連接通信模塊的並行ISA總線接ロ ；乙太網接ロ模塊連接無線路由器；RS232接ロ模塊連接傾角傳感器，傾角傳感器安裝於機身水平面上；帶光電隔離的輸入輸出模塊連接油泵；通信模塊為FPGA通信模塊。實際運行時，主控制器可以採用ARM9內核的嵌入式模塊，在WINCE5.0作業系統下以VC++語言進行運動規劃程序設計，完成機器人整體姿態分析、運動規劃與診斷。並行ISA總線與通信模塊的並行ISA總線接ロ相連，實現主控制器對通信模塊內各組雙端ロ RAM的直接讀寫。此外，本發明的主控制器上還可以連接有USB接ロ模塊，USB接ロ模塊以及乙太網接ロ模塊負責完成主控制器的在線配置以及調試。RS232接ロ模塊負責完成主控制器與傾角傳感器之間的通信。帶光電隔離的輸入輸出模塊負責控制油泵的啟動以及停止並為將來的後續擴展作預留。通信模塊優選為FPGA通信模塊，利用FPGA的可編程邏輯設計功能，在FPGA內構建有多組雙端ロ RAM模塊以存儲實時數據和控制指令，通信模塊具有一個並行ISA總線接ロ以及多個高速串行SPI總線接ロ模塊。
[0019]本發明不限制主控制器的具體型號特徵，作為優選，主控制器為ARM9嵌入式處理器。
[0020]作為本發明更進一歩的改進，圖4是本發明中子控制器的一個優選結構連接示意圖。如圖4所示，子控制器連接有串行SPI總線模塊、ADC模塊、PWM模塊；串行SPI總線模塊連接差分驅動模塊，差分驅動模塊連接通信模塊的串行SPI總線接ロ ；ADC模塊連接模擬量採集模塊；PWM模塊連接伺服驅動模塊。子控制器實現每條腿運動參數採集和各自由度運動的速度、位置控制。ADC模塊即模數轉換模塊，PWM模塊即脈寬調製模塊，模擬量採集模塊採集傳感器傳輸的各種模擬量，將其傳輸給ADC模塊，ADC模塊進行模數轉換，將採集的信息轉換為數位訊號後傳輸給子控制器，子控制器根據ADC模塊傳過來的信息，再結合從通信模塊傳過來的控制指令，計算得到控制器輸出量，控制器輸出量經過PWM模塊，得到模擬控制量，再經過伺服驅動模塊，驅動執行部件進行動作。採用差分驅動模塊可以有效提高信號的傳輸距離並抑制噪聲。本發明不限制執行部件的具體結構，由於子控制器用於控制腿的運動，因此執行部件只要是用於腿的運動即可，本發明也不限制模擬量採集模塊連接的傳感器的具體類型，同樣由於子控制器是用於控制腿的運動，因此模擬量採集模塊連接的傳感器也用於檢測腿的運動狀態。作為優選，子控制器為TMS320F28027型微控制器；模擬量採集模塊分別連接位移傳感器和力傳感器；伺服驅動模塊連接液壓缸。TMS320F28027型微控制器為德州儀器公司生產的32位實時微控制器。此時，模擬量採集模塊將位移傳感器及力傳感器反饋的電流信號轉換為合適的電壓信號後輸入ADC模塊，以實現對位移及力信號的採集與轉換。驅動模塊包括PWM轉DA電路與恆流斬波電路，通過控制PWM信號佔空比的大小來實現控制通過比例閥線圈電流的大小，進而控制閥芯的運動方向與開度，最終實現對液壓缸運動方向與速度的控制。實際中，位移傳感器與各液壓缸同軸安裝；多個カ傳感器安裝在腿的各關節處以及足底。
[0021]圖5所示是本發明中通信模塊的一個優選結構連接示意圖。通信模塊包括並行ISA總線接ロ以及若干串行SPI總線接ロ，每個串行SPI總線接ロ各連接有雙端ロ RAM模塊，串行SPI總線接ロ與雙端ロ RAM模塊的一端相連，雙端ロ RAM模塊的另一端與並行ISA總線接ロ相連。雙端ロ RAM存儲相應的狀態信息和控制指令，且狀態信息和控制指令數據在各組雙端ロ RAM中分區配置；其一端與並行ISA總線接ロ相連，另一端分別與對應的高速串行SPI總線接ロ連接。雙端ロ RAM模塊存儲相應的狀態信息和控制指令，且狀態信息和控制指令數據在各組雙端ロ RAM模塊中分區配置；其一端與並行ISA總線接ロ相連，另一端分別與對應的高速串行SPI總線接ロ連接。並行ISA總線接ロー端與主控制器的並行ISA總線相連，另一端與各組雙端ロ RAM模塊相連，以便實現主控制器對雙端ロ RAM模塊的實時讀寫。串行SPI總線接ロー端與雙端ロ RAM模塊連接另一端與子控制器SPI總線連接，以便實現子控制器對雙端ロ RAM模塊的實時讀寫。
[0022]圖6是本發明中通信模塊的一個優選內部結構示意圖。其包括:讀寄存器、寫寄存器，發送寄存器、接收寄存器，脈衝計數器，地址寄存器，讀地址計數器、寫地址計數器以及讀寫控制模塊等。脈衝計數器分別連接發送寄存器、接受寄存器和讀寫控制模塊，讀寫控制模塊分別連接讀地址計數器、地址寄存器、寫地址計數器和雙端ロ RAM模塊，地址寄存器連接雙端ロ RAM模塊，接受寄存器連接寫寄存器，寫寄存器連接雙端ロ RAM模塊，雙端ロ RAM模塊連接讀寄存器，讀寄存器連接發送寄存器。
[0023]通信模塊中各SPI模塊均工作於從機模式，子控制器中的SPI模塊工作於主機模式。當SPI模塊檢測到主機選擇線(SS)下降沿的跳變信號時，啟動SPI通信，首先將讀、寫地址計數器，地址寄存器以及SCK脈衝計數器初始化；然後將當前讀地址計數器的值賦給雙端ロ RAM模塊的地址寄存器，同時讀寫控制模塊產生讀信號以及使能信號，讀取雙端ロ RAM模塊中儲存的由精簡ISA總線寫入的命令數據的第一個字節賦給讀寄存器並將其載入SPI發送寄存器；當接收到第一個SCK脈衝時:在脈衝的上升沿將發送寄存器的最高位移出並送上主機輸入/從機輸出線(MIS0)，在脈衝的下降沿接收主機輸出/從機輸入線(M0SI)上的信號並移入接收寄存器的最低位；接收到第二個脈衝時，重複第一個脈衝的過程，直到完成八個脈衝的動作後將脈衝計數器清零，同時將接收寄存器的值賦給寫寄存器，並將寫地址計數器的值賦給雙端ロ RAM模塊的地址寄存器，讀寫控制模塊產生寫信號以及使能信號，完成第一個接收數據的寫入雙端ロ RAM模塊，最後，讀、寫地址計數器加1，至此，一個字節數據的完整通信就完成了，重複上述過程直到從機選擇線(SS)信號被拉高，表明此次SPI通信結束，等待檢測到下一個從機選擇線(SS)下降沿信號開始下一次通信。
[0024]本發明涉及ー種新型的具有實時數據通信能力、能夠進行有效路徑規劃和實時精確控制關節運動的足式歩行機器人分布式運動控制系統。主控制器負責機器人整體姿態分析、運動規劃與診斷；子控制器負責每條腿運動參數採集和各自由度運動的速度、位置控制；通信模塊在FPGA內構建多組雙端ロ的RAM模塊存儲實時數據和控制指令，主控制器通過並行ISA總線直接讀寫所有各組雙端ロ RAM模塊，子控制器通過串行SPI總線直接讀寫對應ー組雙端ロ RAM模塊，狀態信息和控制指令數據在各組雙端ロ RAM模塊中分區配置，可靠地實現主控制器與各子控制器間毫秒級的高速數據交換。本發明的一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統具有很好的實時性和可靠性，能夠在足式歩行機器人中實現實時數據通信，進行有效路徑規劃和實時精確控制關節運動。
[0025]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，包括:通信模塊、主控制器和多個子控制器；主控制器連接通信模塊，通信模塊分別與每個子控制器相連。
2.根據權利要求1所述的ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，主控制器與通信模塊之間通過並行ISA總線相連；通信模塊與每個子控制器之間通過串行SPI總線相連。
3.根據權利要求2所述的ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，主控制器連接有並行ISA總線模塊、乙太網接ロ模塊、RS232接ロ模塊和帶光電隔離的輸入輸出模塊；並行ISA總線模塊連接通信模塊的並行ISA總線接ロ ；乙太網接ロ模塊連接無線路由器；RS232接ロ模塊連接傾角傳感器；帶光電隔離的輸入輸出模塊連接油泵；通信模塊為FPGA通信模塊。
4.根據權利要求3所述的ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，主控制器為ARM9嵌入式處理器。
5.根據權利要求3所述的ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，子控制器連接有串行SPI總線模塊、ADC模塊、PWM模塊；串行SPI總線模塊連接差分驅動模塊，差分驅動模塊連接通信模塊的串行SPI總線接ロ ；ADC模塊連接模擬量採集模塊；PWM模塊連接伺服驅動模塊。
6.根據權利要求5所述的ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在幹，子控制器為TMS320F28027型微控制器；模擬量採集模塊分別連接位移傳感器和力傳感器；伺服驅動模塊連接液壓缸。
7.根據權利要求2或5所述的ー種足式歩行機器人的分布式運動控制系統，其特徵在於，通信模塊包括並行ISA總線接ロ以及若干串行SPI總線接ロ，每個串行SPI總線接ロ各連接有雙端ロ RAM模塊，串行SPI總線接ロ與雙端ロ RAM模塊的一端相連，雙端ロ RAM模塊的另一端與並行ISA總線接ロ相連。
【文檔編號】G05B19/042GK103454945SQ201310275227
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月3日 優先權日:2013年7月3日
【發明者】卞新高, 殷勇華, 汪贇, 朱燈林 申請人:河海大學常州校區